井筒工程“大數(shù)據(jù)”的建立與應(yīng)用實踐

錢浩東， 溫 馨， 甘紅梅， 陳思錦， 李豐成

(1中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2中石油川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)處 3 中石油川慶鉆探工程有限公司信息管理部 4中石油測井有限責(zé)任公司)

國際石油公司均實現(xiàn)了井筒工程數(shù)字化，成立遠程支持決策中心，提供多專業(yè)一體化解決方案，智能化鉆井、勘探、開發(fā)是大勢所趨。國內(nèi)多數(shù)油氣田公司處于智能鉆井初期階段，為了實現(xiàn)智能鉆井，首要任務(wù)是建立數(shù)字化井筒。井筒工程數(shù)據(jù)包括了鉆井、錄井、測井、井下作業(yè)等多專業(yè)作業(yè)形成的數(shù)據(jù)，為了在生產(chǎn)、研究工作中實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享，促進各專業(yè)技術(shù)融合和業(yè)務(wù)協(xié)同，為決策者、技術(shù)人員提供多種方式、多角度的數(shù)據(jù)，應(yīng)改變以往數(shù)據(jù)應(yīng)用和查詢模式，要從多維度、跨專業(yè)地去進行分析與應(yīng)用數(shù)據(jù)，這樣“大數(shù)據(jù)”才能發(fā)揮更好的作用，有助于工程技術(shù)服務(wù)向科學(xué)化、一體化解決方案方向發(fā)展。

一、數(shù)字井筒技術(shù)發(fā)展概況

數(shù)據(jù)庫技術(shù)是上世紀八十年代末九十年代初在我國各個行業(yè)開始推廣應(yīng)用的，并極大地推動了各行業(yè)的管理水平和技術(shù)進步。中石油最早開展數(shù)據(jù)庫研究的是鉆井專業(yè)，在90年代中期國內(nèi)各油田興起了一次建立鉆井專業(yè)數(shù)據(jù)庫的熱潮，但是持續(xù)研究的時間很短。2002年前后國內(nèi)各油田中塔里木、四川和長慶等少數(shù)幾個油田有較完整的鉆井數(shù)據(jù)庫，其他油田有零星的鉆井數(shù)據(jù)庫，除此以外開發(fā)的鉆井數(shù)據(jù)庫基本都被廢棄[1]，造成這種局面的有以下幾個原因：①受當時通訊條件以及計算機科學(xué)水平的制約，鉆井數(shù)據(jù)庫開發(fā)完成后并未到達人們預(yù)期的效果；②對數(shù)據(jù)庫信息科學(xué)發(fā)展規(guī)律認識的偏差，因為數(shù)據(jù)庫信息工程是一個系統(tǒng)工程，需要持續(xù)的資金支持和人員維護，而很多油田都是作為科研項目，項目驗收后就再沒有資金投入；③受機構(gòu)重組的影響，對鉆井專業(yè)數(shù)據(jù)庫的認識差異，很少有油田公司愿意繼續(xù)在鉆井數(shù)據(jù)庫中投入資金，致使重組后很多油田的鉆井專業(yè)數(shù)據(jù)庫沒能繼續(xù)發(fā)揮它的功能。

隨著計算信息技術(shù)的日新月異，特別是通訊技術(shù)的迅速發(fā)展的影響，2008年后中石油又迎來了新一輪的數(shù)據(jù)庫建設(shè)熱潮，啟動了A1、A2、A7等項目，各地區(qū)公司也建立了自己的專業(yè)數(shù)據(jù)庫。這個階段開發(fā)的數(shù)據(jù)庫與上世紀九十年代開發(fā)的數(shù)據(jù)庫的最大區(qū)別，在于各專業(yè)建庫的目的都為實現(xiàn)各自的專業(yè)管理目標，造成在施工現(xiàn)場同一井筒作業(yè)有很多不同數(shù)據(jù)采集與填報系統(tǒng)，給現(xiàn)場施工隊帶來大量的重復(fù)填報工作，增加了一線技術(shù)人員的負擔(dān)，且數(shù)據(jù)源錯誤率高，嚴重阻礙生產(chǎn)管理[1]。以某公司為例，井場形成的數(shù)據(jù)采集情況如圖1所示。

圖1 井場形成的數(shù)據(jù)采集示意圖

專業(yè)數(shù)據(jù)庫適用范圍小，雖然具有便于管理、升級等優(yōu)點，但專業(yè)信息系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和建設(shè)，各專業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編碼不一致，重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象多，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、專業(yè)與專業(yè)之間無法共享信息數(shù)據(jù)和資源，內(nèi)部信息孤島嚴重，信息源利用率非常低，如何整合專業(yè)數(shù)據(jù)庫資源，形成可以利用一體化“大數(shù)據(jù)”，減少現(xiàn)場數(shù)據(jù)填報的負擔(dān)，推動數(shù)據(jù)化井筒建設(shè)進程。為此通過多專業(yè)聯(lián)合攻關(guān),打通專業(yè)限制壁壘，建立井筒工程數(shù)據(jù)一體化管理平臺，構(gòu)建了一個以井筒生產(chǎn)為基礎(chǔ)的，滿足多專業(yè)需求的油氣勘探生產(chǎn)管理平臺[1]。

二、井筒數(shù)字化的搭建

1.井筒一體化數(shù)據(jù)庫技術(shù)構(gòu)架

一體化數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)集必須滿足各種不同專業(yè)數(shù)據(jù)庫的需求，要以實現(xiàn)“一次填報、多系統(tǒng)共享”的核心建設(shè)目標，達到減輕基層作業(yè)填報、成果資料整理工作量的目的。

為了涵蓋全井筒相關(guān)的各專業(yè)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)一體化，主體技術(shù)框架設(shè)計由兩條主線構(gòu)成，第一種主線以井的生命周期為主線，通過井這條主線，把井的物理屬性進行了詳細的描述，井的各種物理變化數(shù)據(jù)通過井進行有效串聯(lián)，能充分滿足成果數(shù)據(jù)的管理；第二種主線以作業(yè)ID(包括各專業(yè)的作業(yè)ID)這條主線把圍繞井筒各種作業(yè)事件也進行了有效關(guān)聯(lián)，通過關(guān)聯(lián)把井筒工程的各個專業(yè)數(shù)據(jù)緊密地整合在一個數(shù)據(jù)庫中，井筒工程數(shù)據(jù)庫得到最大化擴充，同時提高了數(shù)據(jù)庫的靈活性，能滿足各專業(yè)的數(shù)據(jù)需求。井筒一體化數(shù)據(jù)庫技術(shù)構(gòu)架圖如圖2所示。

圖2 井筒一體化數(shù)據(jù)庫技術(shù)構(gòu)架圖

2. 清理交叉數(shù)據(jù)源、規(guī)范數(shù)據(jù)標準

鉆井、錄井、測井、井下作業(yè)各專業(yè)間存在數(shù)據(jù)重復(fù)采集、數(shù)據(jù)源交叉的問題，為確保數(shù)據(jù)的一致性和準確性。為了減少數(shù)據(jù)的重復(fù)錄入，為一線技術(shù)員減負，對川慶一體化數(shù)據(jù)源進行了清理，共清理數(shù)據(jù)表近20個，交叉數(shù)據(jù)項數(shù)百項，同時還制定了各專業(yè)的數(shù)據(jù)采集標準，規(guī)范了采集數(shù)據(jù)，確保了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量及數(shù)據(jù)的兼容性。

3. 一體化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)

基于一體化數(shù)據(jù)庫開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，兼顧了物探、鉆井 、錄井、測井、井下作業(yè)、鉆井液等多專業(yè)的施工數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實現(xiàn)分專業(yè)分用戶填報，避免重復(fù)錄入，所有專業(yè)的數(shù)據(jù)的填報量都比過去大大減少。同時提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)利用率，確保了數(shù)據(jù)的完整性、唯一性和規(guī)范性[2]。

4. 實時數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集

實時數(shù)據(jù)也是井筒工程的一項重要數(shù)據(jù)資源，實時數(shù)據(jù)進入一體化數(shù)據(jù)庫進一步豐富了數(shù)據(jù)資源；同時實時數(shù)據(jù)通過一體化平臺方便的被更多的用戶群使用；現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集遵循WitsML國際標準格式對作業(yè)現(xiàn)場的工控數(shù)據(jù)進行采集、存儲和傳輸，將鉆參儀、綜合錄井儀、測井、隨鉆儀器、增產(chǎn)改造數(shù)據(jù)等實時數(shù)據(jù)都被對接輸入一體化數(shù)據(jù)庫[3]，這些數(shù)據(jù)的納入也進一步減少了現(xiàn)場的數(shù)據(jù)手工錄入量，同時提升了現(xiàn)場數(shù)據(jù)展示的實時性，且滿足中石油A1、A5、A7、A12等多個系統(tǒng)的工程技術(shù)數(shù)據(jù)需求，并在中石油內(nèi)網(wǎng)環(huán)境下通過研發(fā)一體化遠程傳輸系統(tǒng)，為遠程決策奠定了基礎(chǔ)。

5. 井筒工程移動APP的建立

井筒大數(shù)據(jù)平臺是基于Windows系統(tǒng)開發(fā)，數(shù)據(jù)查詢方式主要依賴于辦公電腦。利用已有的大數(shù)據(jù)平臺，在中國石油企業(yè)移動應(yīng)用平臺上開發(fā)一套基于安卓系統(tǒng)的井筒工程移動APP，采用移動平臺統(tǒng)一的數(shù)據(jù)編碼格式，確保APP的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。用戶身份認證設(shè)置實現(xiàn)口令認證和移動加密機兩種安全認證方式，并根據(jù)移動應(yīng)用安全級別進行訪問權(quán)限控制，滿足移動平臺統(tǒng)一的信息安全管理。實現(xiàn)了管理人員不受時間和地點的制約，通過使用手機或平板電腦方便快速的鉆完井工程信息，為管理人員提供及時、可靠的決策依據(jù)，從而建立一種全新的“移動辦公”模式，使大數(shù)據(jù)平臺發(fā)揮更大的功效。

三、“大數(shù)據(jù)”在鉆井工程的應(yīng)用實踐

一體化數(shù)據(jù)庫形成的隨鉆工程地質(zhì)數(shù)據(jù)、勘探開發(fā)研究數(shù)據(jù)等實現(xiàn)了資源共享、促進了各專業(yè)技術(shù)融合和業(yè)務(wù)協(xié)同，是集數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控、實時預(yù)警、輔助決策為一體的綜合展示發(fā)布平臺[4]，決策者、和業(yè)務(wù)人員面對“大數(shù)據(jù)”進行應(yīng)用時，應(yīng)改變以往數(shù)據(jù)應(yīng)用和查詢模式，要從多維度跨專業(yè)地去考慮數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用，這樣“大數(shù)據(jù)”才能發(fā)揮更好的作用。

基于一體化數(shù)據(jù)庫開發(fā)跨專業(yè)的數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計、分析、數(shù)據(jù)挖掘到最終的輔助決策，是一體化數(shù)據(jù)采集平臺的主要開發(fā)目標，目前已實現(xiàn)了三方面的應(yīng)用，有效地指導(dǎo)了安全生產(chǎn)。

1. 在快速鉆井中的應(yīng)用

提速一直是鉆井工作者的追求的目標，提速的主要手段主要是利用新工具、新技術(shù)，在現(xiàn)有條件下進行鉆井參數(shù)優(yōu)選，鉆井參數(shù)數(shù)據(jù)的優(yōu)選要依賴實鉆資料，過去鉆井數(shù)據(jù)分析時主要集中在鉆井專業(yè)數(shù)據(jù)庫，如鉆頭使用、鉆具組合、鉆井性能、事故復(fù)雜分析等，但在“大數(shù)據(jù)”的背景下，可利用錄井數(shù)據(jù)庫的整米數(shù)據(jù)、實時巖屑數(shù)據(jù)分析回歸鉆速的趨勢線，來分析鉆速和巖性，利用測井數(shù)據(jù)庫的井徑、補償聲波、巖性密度等數(shù)據(jù)來分析巖石的可鉆性，通過多個專業(yè)的數(shù)據(jù)融合的綜合分析影響和制約鉆速的因素，建立新的鉆速方程或優(yōu)化鉆井參數(shù)、鉆具組合，新的鉆井參數(shù)又可以通過可實時數(shù)據(jù)及時驗證和優(yōu)化調(diào)整，這樣使提速方案更科學(xué)更合理，見圖3。

圖3 “大數(shù)據(jù)”在鉆井方案優(yōu)化中應(yīng)用示意圖

2. 安全鉆井中的應(yīng)用

2.1 實時預(yù)警

“大數(shù)據(jù)”在鉆井現(xiàn)場的應(yīng)用為鉆井提供了有效的工程監(jiān)測：綜合錄井儀、鉆參儀，能夠直接監(jiān)測鉆井工程、鉆井液、氣體和地層壓力等多項參數(shù)，實現(xiàn)對鉆井工程事故的連續(xù)監(jiān)測和量化分析判斷，進而指導(dǎo)安全優(yōu)化鉆井，達到保障鉆井施工安全、減少投入、提高勘探開發(fā)整體效益的目的。通過對實時數(shù)據(jù)和鉆井設(shè)計數(shù)據(jù)以及鉆井現(xiàn)場數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析和挖掘，形成溢流、井漏、鉆具刺漏等主要鉆井工程事故復(fù)雜的預(yù)報方法，實現(xiàn)了對鉆井參數(shù)的自動監(jiān)測、分析和異常報警。涉及錄井參數(shù)包括入口流量、總泵沖、總池體積、出口流量、立管壓力、出口密度、出口溫度、全烴等。例如，在鉆進過程中，大數(shù)據(jù)平臺監(jiān)測出鉆時、出口密度異常下降，總池體積、出口流量、全烴值異常上升，可初步判斷溢流情況發(fā)生。

“大數(shù)據(jù)”在鉆井作業(yè)過程中能為工程安全提供保駕護航，但同時也受鉆井工藝、傳感器性能及現(xiàn)場環(huán)境所影響，在實際現(xiàn)場作業(yè)中，也需綜合考慮多方面原因以確定井下復(fù)雜情況的發(fā)生，有效保障鉆井作業(yè)安全。

2.2 地層壓力預(yù)測

準確預(yù)測地層壓力，一直是安全鉆井中的一項主要工作，利用井場實時一體化數(shù)據(jù)庫，可進行實時數(shù)據(jù)分析；前瞻性的建立地質(zhì)模型，同時結(jié)合隨鉆參數(shù)，油藏數(shù)據(jù)模型，實時進行地層壓力預(yù)測以及井壁穩(wěn)定性分析，并可以利用軟件圖示化地實時展示三維模型和地層壓力曲線；提高了鉆井可視化程度，用戶可以做到未雨綢繆及時做出針對性的鉆井施工方案，有效地降低了地質(zhì)和鉆井不確定性，避免井下異常和井壁不穩(wěn)定性等復(fù)雜，從而節(jié)約時間成本。

3. 在地質(zhì)導(dǎo)向中的應(yīng)用

工程地質(zhì)的一體化數(shù)據(jù)是地質(zhì)導(dǎo)向的基石，“大數(shù)據(jù)”為地質(zhì)導(dǎo)向的成功提供了豐富的數(shù)據(jù)資源，利用多種巖石物理、測井數(shù)據(jù)、地震/地質(zhì)面等數(shù)據(jù)，以鄰近地層趨勢為控制條件建立預(yù)測模型，在施工過程中可以根據(jù)實時錄井數(shù)據(jù)、LWD數(shù)據(jù)，對地質(zhì)目標和井巖軌跡進行分析和調(diào)控，從而提高儲層鉆遇率并保證地質(zhì)目標的實現(xiàn)，“大數(shù)據(jù)”在三維導(dǎo)航中應(yīng)用示意圖4。

圖4 “大數(shù)據(jù)”在三維導(dǎo)航中應(yīng)用示意圖

四、結(jié)論與建議

(1)通過搭建物探、鉆井、錄井、測井、井下作業(yè)等各專業(yè)一體化數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了跨專業(yè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與共享，減少了重復(fù)錄入，數(shù)字化井筒已經(jīng)形成，不斷豐富和完善大數(shù)據(jù)平臺的功用，為鉆完井專家系統(tǒng)的形成奠定了堅實的基礎(chǔ)。

(2)“大數(shù)據(jù)”是未來企業(yè)信息技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的基礎(chǔ)，也是石油企業(yè)向信息化、智能化管理轉(zhuǎn)變的必經(jīng)之路，應(yīng)用“數(shù)據(jù)挖掘”、“云計算”等技術(shù)，對海量的、多專業(yè)的工程數(shù)據(jù)進行組織和處理，有效的指導(dǎo)了生產(chǎn)和管理工作。

(3)不斷完善豐富“大數(shù)據(jù)”資源。信息化時代的一個最重要的特征就是信息的多樣性，井筒工程一體化信息資源既要不斷吸收井筒工程各專業(yè)迅速發(fā)展的新技術(shù)、新工藝并逐步形成新的數(shù)據(jù)元素，同時也要不斷整合歷史上與井筒相關(guān)的各種數(shù)據(jù)與信息資源，甚至大量的非結(jié)構(gòu)化信息資源，來不斷豐富完善一體化庫的數(shù)據(jù)資源，才能使這個“大數(shù)據(jù)”更好地服務(wù)于井筒作業(yè)。

(4)“大數(shù)據(jù)”與國外先進軟件的對接。用好“大數(shù)據(jù)”僅僅停留在數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計分析是遠不夠的，若能把這些“大數(shù)據(jù)”與國外先進的外購軟件實現(xiàn)對接，能進一步拓展“大數(shù)據(jù)”的應(yīng)用,充分體現(xiàn)“大數(shù)據(jù)”的價值；近年來川慶鉆探公司圍繞井筒工程的各專業(yè)都購買了大量的國外先進軟件，這些軟件大都需要大量的數(shù)據(jù)支撐，這些軟件基本都無法與國內(nèi)的數(shù)據(jù)庫對接，造成這些軟件的使用率非常低，開發(fā)這些軟件與一體化數(shù)據(jù)庫直接對接技術(shù)，使外購軟件發(fā)揮最大潛能，以更好地服務(wù)于生產(chǎn)。